Оптимизация параметров литья под давлением ПЭВП с помощью ДСК и кинетики Нео

Введение

Литье под давлением - основной процесс в полимерной промышленности для производства деталей определенной формы. Расплавленный полимер впрыскивается в относительно холодную полость формы, где он быстро охлаждается. Температура формы напрямую влияет на скорость кристаллизации и, следовательно, на свойства конечного продукта, поэтому она должна быть идеально определенной. Поэтому использование ДСК для изотермических кристаллизационных испытаний, в ходе которых моделируется поведение полимера в пресс-форме, - это реальный выигрыш во времени.

Быстрое охлаждение и стабилизация

Для проведения изотермических испытаний на кристаллизацию ДСК должна отвечать двум требованиям. Образец должен быть охлажден очень быстро, чтобы предотвратить начало кристаллизации во время охлаждения. Кроме того, температура должна быть стабилизирована на заданной температуре кристаллизации без каких-либо занижений или завышений. В частности, занижение температуры может привести к преждевременному началу кристаллизации. Некоторые полимеры, например полиолефины, кристаллизуются очень быстро. Всего несколько секунд при температуре немного ниже заданной могут привести к непреднамеренному началу кристаллизации.

Благодаря низкой тепловой массе печи, P-модуль DSC 300 Caliris^® обеспечивает очень быструю скорость нагрева и охлаждения, а также превосходный контроль температуры в последующих изотермических сегментах.

В данном примере изотермические испытания на кристаллизацию были проведены на полиэтилене высокой плотности с помощью NETZSCH DSC 300 Caliris^®. После нагрева до 230°C, т.е. до температуры, превышающей температуру плавления ПЭВП (полиэтилена высокой плотности), с последующим 5-минутным изотермическим сегментом образцы охлаждались с высокой скоростью охлаждения до трех различных температур кристаллизации. Условия измерений подробно описаны в таблице 1.

Таблица 1: Условия для проведения изотермических испытаний на кристаллизацию

Результаты измерений и обсуждение

Температурный профиль охлаждения до 123,0°C демонстрирует отличную стабильность температуры на изотермическом участке после достижения целевой температуры кристаллизации (рис. 1).

На рис. 2 представлены полученные кривые ДСК для изотермических сегментов при 122,5°C, 123,0°C и 123,5°C. Благодаря быстрой стабилизации температуры на заданном значении, начальный эффект на кривой ДСК, вызванный переходом сегмента от охлаждения к изотермическому, достаточно мал, чтобы можно было отделить его от тепловых эффектов, возникающих в начале. Экзотермический пик, обнаруженный на изотермическом участке трех измерений, может быть отнесен к кристаллизации полиэтилена. Как и ожидалось, энтальпия кристаллизации (площадь пика) увеличивается по мере снижения температуры изотермического участка, что указывает на более высокую степень кристалличности конечного продукта. Кроме того, наклон пика становится более крутым с уменьшением температуры изотермы, поэтому минимум пика достигается быстрее. Это означает более быструю кристаллизацию.

От измерений ДСК к кинетике кристаллизации:Кинетика Нео

Зависимость пика кристаллизации от температуры позволяет использовать кривые ДСК для кинетического анализа процесса кристаллизации. Для этого была использована программа Kinetics Neo. Программа позволяет присваивать каждому отдельному этапу различные типы реакций со своими кинетическими параметрами, такими как энергия активации, порядок реакции и предэкспоненциальный коэффициент.

Скорость химической реакции для каждого шага кристаллизации, j, может быть записана как произведение двух функций, где первая функция, fj(ej,pj,), зависит от концентраций реагента (ej) и продукта (pj). Вторая функция, Kj(T), зависит от температуры [1].

selectЗдесь для кинетики кристаллизации использовалась одностадийная реакция. Модель кристаллизации Сбирраццуоли [2] использует зависимость Накамуры K(T) и зависимость Сестака-Берггрена от концентрации f(e,p):

Использование этой модели требует знания температуры стеклования и плавления образца, даже если программное обеспечение будет оптимизировать значение температуры плавления. Тогда оценка кинетики будет справедлива во всем температурном диапазоне между этими двумя температурами.

Кроме того, функция K(T) включает параметры U и KG, которые оптимизируются программой Kinetics Neo.

На рисунке 3 показаны кривые измерений, а также кривые, рассчитанные в программе Kinetics Neo с использованием описанной выше кинетической модели. В таблице 2 приведены параметры кинетики. Результаты показывают хорошее соответствие между измеренными и рассчитанными результатами. Коэффициент корреляции составляет 0,996.

Таблица 2: Параметры кинетики кристаллизации

На основе полученных результатов Kinetics Neo может смоделировать реакцию для заданных пользователем температурных программ. Например, на рисунке 4 показаны кривые ДСК, полученные для температур кристаллизации от 80 до 115 °C. Как и ожидалось, чем ниже температура, тем быстрее протекает реакция. Если материал впрыскивается в пресс-форму small при температуре 80°C, он кристаллизуется за несколько секунд. Если же форма находится при температуре 115°C, то для полной кристаллизации полимера потребуется одна минута.

ДСК-тесты в сопровождении производства для экономии времени и денег

Изотермические испытания на кристаллизацию можно проводить с помощью NETZSCH DSC 300 Caliris^®® на полиэтилене - полиолефине, известном своей быстрой кристаллизацией. Испытания ДСК просты в проведении и требуют только small массы образца. В частности, изотермические измерения кристаллизации помогают определить подходящие условия обработки, такие как температура формы и время охлаждения, чтобы полученные детали обладали всеми необходимыми свойствами.